CN117451310A - 脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统及方法，通过多台天平耦合，联合校准、综合解算模型在脉冲风洞试验过程中所受到的气动力载荷，提出了对支架进行减重的设计思路，在保证支架刚度变化较小的前提下，大幅度减轻支架的重量；提出了新的天平联合解耦组桥方式，实现测力系统的一体化校准，联合解耦，应用于试验模型载荷测量；解决了大尺度、重载模型的一体化气动性能评估难题，为未来更大尺度模型脉冲风洞测力技术提供了支撑。
Description
技术领域
本发明属于脉冲风洞测力技术领域，尤其是一种脉冲风洞重载模型分布式耦合测力系统及校准方法、测力方法。
背景技术
脉冲风洞具备开展大尺度、重载模型试验的能力，这种风洞有效冲击载荷大，有效试验时间短，约300ms，短时模型测力技术是试验过程中的关键技术之一。现有试验模型尺度一般 较小，采用单台盒式应变天平测力进行载荷测量。由于脉冲风洞试验模型一般较重，可达1t，为了提高测力系统的响应频率，多采用背部或者腹部支撑方案，该方案可以保证天平具有较高刚度，减小模型支撑机构悬臂长度，提高测力系统响应频率。
脉冲风洞测力系统主要由试验模型、测力天平、支架3部分组成，在以往测力系统的设计中，各部分可以解耦，分别进行设计，测力天平一般为简支梁形式，不存在过约束情况，可以单独进行校准，然后将校准后的天平公式应用于风洞试验结果，即可获得模型在试验过程中的气动力载荷。
随着脉冲风洞试验技术的发展，模型尺度变得更大，风洞试验测力难度变得更大。本发明中所谓的重型试验模型尺度较大，质量可达数吨，传统的单天平测力方法已面临诸多不足，主要有以下2点：①试验模型前后悬臂过长，柔性大幅度增加，模型刚体假设已难以保证；②测力系统响应频率随着模型尺度的增加大幅度下降，在有效试验时间内难以获得足够多振动的周期数。③为了解决更大尺度脉冲风洞模型测力难题，本发明提出了一种脉冲风洞重载模型分布式耦合测力系统设计方法，下面针对该方法进行但更大尺度的模型也可参考本方法进行测力系统设计。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于进一步发展脉冲风洞测力技术，为解决大尺度、重型试验模型脉冲风洞一体化气动性能评估提供一种可行方案。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，定义：x方向为风洞来流方向，y方向为耦合测力系统竖直向上方向，z方向垂直于x和y方向；大尺度是指脉冲风洞模型长度为10米以上，重载是指脉冲风洞模型的重量为5吨以上； 两台以上的天平联合耦合测力，联合校准时相邻测力天平通过模型框架模拟件10连接在一起，通过联合校准，获得测力天平的校准公式，然后将校准公式应用于脉冲风洞重载模型测力试验，试验过程中测力天平通过模型框架6连接在一起；每一台天平通过模型支架3固定连接在风洞地基4上，每台天平包括固定框14、固定框14上方的浮动框13，固定框14与浮动框13之间的天平浮动框与固定框连接件19，以及三者之间的天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16、法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17、轴向力Fx测量元件18，浮动框13和模型框架模拟件10或模型框架6固定连接，相邻天平的浮动框13通过模型框架模拟件10或模型框架6连接成整体，所有浮动框13和模型框架模拟件10或模型框架6的连接面在同一个水平面且平行于xoz平面，测力天平应变计设置在法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17和轴向力Fx测量元件18上，加载后天平测量元件变形导致应变计电阻发生变化，然后通过惠斯通电桥输出电压信号；
模型框架模拟件10或模型框架6带动浮动框一起振动，模型框架模拟件10或模型框架6、浮动框13、固定框14的刚度远大于天平测量元件和天平支撑元件的刚度，从而使测量元件受力后较模型框架模拟件10或模型框架6、浮动框13和固定框14更易振动而产生变形，模型框架模拟件10或模型框架6使其左右两侧的浮动框13在y向的变形振动规律一致，从而使模型框架模拟件10或模型框架6左右两侧的天平测量元件输出的电压信号一致；天平测量元件包括法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17和轴向力Fx测量元件18 ，天平支撑元件包括天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16；
校准时，x方向模型框架模拟件10的左右两侧各有一个加载头12，加载头12固定连接在模型框架模拟件10上，校准砝码11的一端连接在模型框架模拟件10的加载头12上，另一端通过一个滑轮换向后悬垂，校准砝码11施加的拉力经过模型框架模拟件10传导至左右两台天平的浮动框；模型框架模拟件10左右两侧的天平输出电压信号，再将两个电压信号叠加，获得输入载荷和输出电压的载荷计算公式，从而完成校准；
天平浮动框与固定框连接件19位于浮动框13沿X方向的两侧，天平法向支撑元件16、轴向力Fx测量元件18位于固定框14、和天平浮动框与固定框连接件19中间，且轴向力Fx测量元件18位于天平法向支撑元件16中间，天平轴向支撑元件15、法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17位于浮动框13、和天平浮动框与固定框连接件19中间，且法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17位于天平轴向支撑元件15中间。
作为优选方式，法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17、轴向力Fx测量元件18采用“T”型梁或“I”型梁；天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16为“I”型梁。
作为优选方式，校准模式包括三种：
（1）一个加载位置进行轴向力Fx校准：即模型框架模拟件10的一侧设置一个加载头12，一个校准砝码11施加沿x方向的作用力于加载头12上，得到第一台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X1、第二台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平轴向力Fx输出信号X，从而进行轴向力Fx校准；
（2）四个加载位置进行法向力Fy校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量相同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y1、第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平法向力Fy输出信号Y，从而进行法向力Fy校准；
（3）四个加载位置进行俯仰力矩Mz校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量不同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz1，第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平俯仰力矩输出信号Mz，从而进行俯仰力矩Mz校准。
作为优选方式，（1）当校准系统为3分量测力系统时，测量轴向力、法向力和俯仰力矩，前3阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框的整体振动；
当校准系统为6分量测力系统时，测量轴向力、法向力、侧向力、滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩，要求前6阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框整体振动；
（2） 对于测量轴向力、法向力、俯仰力矩的3分量测力系统，其测量分量的固有频率均小于z向的侧滑力Fz、绕X方向的滚转力矩Mx、绕y方向的偏航力矩My的固有频率，从而减小非关注载荷分离对关注载荷分量的干扰；
（3） 对于天平6分量测力系统，保证前面6个轴向、法向、侧向、滚转、偏航和俯仰主分量振型对应的固有频率小于其他振型的固有频率；
（4）保证测力系统在有效试验时间内输出至少6个周期的完整信号，测力系统设计最低阶固有频率不低于25Hz。
作为优选方式，在模型支架上设置减重槽。
作为优选方式，模型框架模拟件10和浮动框通过螺钉固定连接。
本发明还提供一种分布式耦合测力系统的一体化校准方法，使用上述的测力系统，其为：两台以上的天平联合耦合测力，模型框架模拟件10或模型框架6带动浮动框一起振动，模型框架模拟件10或模型框架6使其左右两侧的浮动框在y向的变形振动规律一致，从而使模型框架模拟件10或模型框架6左右两侧的天平测量元件输出的电压信号一致；
校准时，校准砝码11施加的拉力经过模型框架模拟件10传导至左右两台天平的浮动框；模型框架模拟件10左右两侧的天平输出电压信号，再将两个电压信号叠加，获得输入载荷和输出电压的载荷计算公式，从而完成校准；
校准模式包括三种：
（1）一个加载位置进行轴向力Fx校准：即模型框架模拟件10的一侧设置一个加载头12，一个校准砝码11施加沿x方向的作用力于加载头12上，得到第一台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X1、第二台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平轴向力Fx输出信号X，从而进行轴向力Fx校准；
（2）四个加载位置进行法向力Fy校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量相同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y1、第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平法向力Fy输出信号Y，从而进行法向力Fy校准；
（3）四个加载位置进行俯仰力矩Mz校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量不同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz1，第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平俯仰力矩输出信号Mz，从而进行俯仰力矩Mz校准。
本发明还提供一种分布式耦合测力方法，使用所述的分布式耦合测力系统，通过多台天平耦合，联合解算模型在试验过程中所受到的气动力载荷。
作为优选方式，对于分布式耦合测力系统，通过天平组桥方式，获得测力天平输出信号惠斯通电路，通过测力系统的整体式校准，获得测力天平公式应用于试验载荷测量；
对于2台测力天平，分别记为天平A和B，为了增加输出电压，应变计位于天平测量元件根部，且保持纵轴线和天平测量元件主应变方向一致，以得到最大的信号输出和最小的信号间干扰，其中A11~A18、B11~B18输出检测点y向应变，根据天平输出信号解算轴向力Fx；A21~A28、A31~A38、B21~B28、B31~B38输出检测点x向应变，根据天平输出信号解算法向力Fy和俯仰力矩Mz，各符号的意义如下：“A”代表测力天平A，“B”代表测力天平B；第一个数字“1”代表轴向力Fx的输出电桥，第一个数字“2”代表法向力Fy的输出电桥，第一个数字“3”代表俯仰力矩Mz的输出电桥；第2个数字“1~8”分别代表相应电桥中的1~8号应变片，通过改变惠斯顿电路组桥方式，解算法向力Fy和俯仰力矩Mz，电路均为全桥电路；天平输出信号计算如下：
；
△x、△y、△Mz分别为整个测力系统轴向力Fx、法向力Fy和俯仰力矩Mz三个分量电信号的耦合输出结果；
X1为1号天平沿轴向力的输出信号，
X2为2号天平沿轴向力的输出信号，
Y1为1号天平法向力的输出信号；
Y2为2号天平法向力的输出信号；
MZ1为1号天平俯仰力矩的输出信号；
MZ2为2号天平俯仰力矩的输出信号。
优选的，通过提高测力天平的测量元件和支撑元件的刚度，来提高测力系统的响应频率。
优选的，通过降低模型质量，来提高测力系统的响应频率。
作为优选方式，形成了“模型框架+形面盖板”的总体试验模型设计方法，既保证试验模型具有优良的刚度特性，又可以尽可能的降低试验模型的重量，从而提高测力系统的响应频率。
本发明的有益效果为：
（1）发明了一种分布式耦合测力方法，通过多台天平耦合，联合校准、综合解算模型在脉冲风洞试验过程中所受到的气动力载荷；
（2）本发明提出了对支架进行减重的设计思路，在保证支架刚度变化较小的前提下，大幅度减轻支架的重量；
（3）提出了新的天平联合解耦组桥方式，实现测力系统的一体化校准，联合解耦，应用于试验模型载荷测量；
（4）解决了大尺度、重载模型的一体化气动性能评估难题，为未来更大尺度模型脉冲风洞测力技术提供了支撑。
附图说明
图1（a）为两台天平时的脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统示意图；
图1（b）为两台天平时的脉冲风洞测力系统沿XOY平面的剖视图；
图2（a）为6台天平的脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统示意图；
图2（b）为6台天平的脉冲风洞测力系统沿XOY平面的剖视图；
图3为脉冲风洞大尺度重载模型结构设计示意图；
图4为脉冲风洞支架上减重槽挖空并周期排布的示意图；
图5为双天平分布式耦合测力天平应变片粘贴位置示意图；
图6为双天平分布式耦合测力天平内部惠斯通电路图；
图7为第一种校准模式一个加载位置进行轴向力Fx校准的校准示意图；
图8为第二种校准模式四个加载位置进行法向力Fy校准的校准示意图；
图9为第三种校准模式四个加载位置进行俯仰力矩Mz校准示意图；
图10为单台测力天平结构沿Z轴方向的正视图；
其中，1为试验模型，2为测力天平，3为模型支架，4为风洞地基，5为模型形面盖板，6为模型框架，7为模型支架减重槽，8为模型支架主体，9为模型支架盖板，10为模型框架模拟件，11为校准砝码，12为加载头，13为浮动框，14为固定框，15为天平轴向支撑元件，16为天平法向支撑元件，17为法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件、18为轴向力Fx测量元件，19为天平浮动框与固定框连接件。
实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例提供一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，定义：x方向为风洞来流方向，y方向为耦合测力系统竖直向上方向，z方向垂直于x和y方向；大尺度是指脉冲风洞模型长度为10米以上，重载是指脉冲风洞模型的重量为5吨以上； 两台以上的天平联合耦合测力，联合校准时相邻测力天平通过模型框架模拟件10连接在一起，通过联合校准，获得测力天平的校准公式，然后将校准公式应用于脉冲风洞重载模型测力试验，试验过程中测力天平通过模型框架6连接在一起；每一台天平通过模型支架3固定连接在风洞地基4上，每台天平包括固定框14、固定框14上方的浮动框13，固定框14与浮动框13之间的天平浮动框与固定框连接件19，以及三者之间的天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16、法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17、轴向力Fx测量元件18，浮动框13和模型框架模拟件10或模型框架6固定连接，相邻天平的浮动框13通过模型框架模拟件10或模型框架6连接成整体，所有浮动框13和模型框架模拟件10或模型框架6的连接面在同一个水平面且平行于xoz平面，测力天平应变计设置在法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17和轴向力Fx测量元件18上，加载后天平测量元件变形导致应变计电阻发生变化，然后通过惠斯通电桥输出电压信号；
图1（a）为两台天平时的脉冲风洞测力系统示意图；图2（a）为6台天平的脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统示意图；图1（b）为两台天平时的脉冲风洞测力系统的沿XOY平面的剖视图，图2（b）为6台天平的脉冲风洞测力系统沿XOY平面剖视图，从两图中可以看出，不同测力天平之间通过模型框架连接为一个整体，每台测力分别通过3模型支架安装于4风洞地基上；
模型框架模拟件10或模型框架6带动浮动框一起振动，模型框架模拟件10或模型框架6、浮动框13、固定框14的刚度远大于天平测量元件和天平支撑元件的刚度，从而使测量元件受力后较模型框架模拟件10或模型框架6、浮动框13和固定框14更易振动而产生变形，模型框架模拟件10或模型框架6使其左右两侧的浮动框13在y向的变形振动规律一致，从而使模型框架模拟件10或模型框架6左右两侧的天平测量元件输出的电压信号一致；天平测量元件包括法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17和轴向力Fx测量元件18 ，天平支撑元件包括天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16；
校准时，x方向模型框架模拟件10的左右两侧各有一个加载头12，加载头12固定连接在模型框架模拟件10上，校准砝码11的一端连接在模型框架模拟件10的加载头12上，另一端通过一个滑轮换向后悬垂，校准砝码11施加的拉力经过模型框架模拟件10传导至左右两台天平的浮动框；模型框架模拟件10左右两侧的天平输出电压信号，再将两个电压信号叠加，获得输入载荷和输出电压的载荷计算公式，从而完成校准；
图10为单台测力天平结构示意图；如图10所示，天平浮动框与固定框连接件19位于浮动框13沿X方向的两侧，天平法向支撑元件16、轴向力Fx测量元件18位于固定框14、和天平浮动框与固定框连接件19中间，且轴向力Fx测量元件18位于天平法向支撑元件16中间，天平轴向支撑元件15、法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17位于浮动框13、和天平浮动框与固定框连接件19中间，且法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17位于天平轴向支撑元件15中间。法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17、轴向力Fx测量元件18采用“T”型梁或“I”型梁；天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16为“I”型梁。
校准模式包括三种：
（1）一个加载位置进行轴向力Fx校准：即模型框架模拟件10的一侧设置一个加载头12，一个校准砝码11施加沿x方向的作用力于加载头12上，得到第一台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X1、第二台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平轴向力Fx输出信号X，从而进行轴向力Fx校准。如图7所示；
（2）四个加载位置进行法向力Fy校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量相同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y1、第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平法向力Fy输出信号Y，从而进行法向力Fy校准；如图8所示；
（3）四个加载位置进行俯仰力矩Mz校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量不同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz1，第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平俯仰力矩输出信号Mz，从而进行俯仰力矩Mz校准。如图9所示。
本系统需满足的性能指标为：
（1）当校准系统为3分量测力系统时，测量轴向力、法向力和俯仰力矩，前3阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框的整体振动；
当校准系统为6分量测力系统时，测量轴向力、法向力、侧向力、滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩，要求前6阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框整体振动；
（2） 对于测量轴向力、法向力、俯仰力矩的3分量测力系统，其测量分量的固有频率均小于z向的侧滑力Fz、绕X方向的滚转力矩Mx、绕y方向的偏航力矩My的固有频率，从而减小非关注载荷分离对关注载荷分量的干扰；
（3） 对于天平6分量测力系统，保证前面6个轴向、法向、侧向、滚转、偏航和俯仰主分量振型对应的固有频率小于其他振型的固有频率；
（4）保证测力系统在有效试验时间内输出至少6个周期的完整信号，测力系统设计最低阶固有频率不低于25Hz。
在模型支架上设置减重槽。
框架模拟件10和浮动框通过螺钉固定连接。
实施例2
本实施例提供一种分布式耦合测力系统的一体化校准方法，使用实施例1所述的测力系统，其为：
两台以上的天平联合耦合测力，模型框架模拟件10或模型框架6带动浮动框一起振动，模型框架模拟件10或模型框架6使其左右两侧的浮动框在y向的变形振动规律一致，从而使模型框架模拟件10或模型框架6左右两侧的天平测量元件输出的电压信号一致；
校准时，校准砝码11施加的拉力经过模型框架模拟件10传导至左右两台天平的浮动框；模型框架模拟件10左右两侧的天平输出电压信号，再将两个电压信号叠加，获得输入载荷和输出电压的载荷计算公式，从而完成校准；
校准模式包括三种：
（1）一个加载位置进行轴向力Fx校准：即模型框架模拟件10的一侧设置一个加载头12，一个校准砝码11施加沿x方向的作用力于加载头12上，得到第一台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X1、第二台测力天平的轴向力Fx测量元件18的电压输出X2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平轴向力Fx输出信号X，从而进行轴向力Fx校准。
（2）四个加载位置进行法向力Fy校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量相同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y1、第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Y2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平法向力Fy输出信号Y，从而进行法向力Fy校准；
（3）四个加载位置进行俯仰力矩Mz校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量不同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz1，第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件17的电压输出Mz2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平俯仰力矩输出信号Mz，从而进行俯仰力矩Mz校准。
实施例3
本实施例提供一种分布式耦合测力方法，使用实施例1所述的分布式耦合测力系统，通过多台天平耦合，联合解算模型在试验过程中所受到的气动力载荷。
当前脉冲风洞测力方法普遍采用单天平、单支撑测力方式，但随着模型尺度不断增大，单台天平已无法满足模型测力要求（测力天平长度无法达到模型长度25%~30%的要求），本发明提出了分布式耦合测力方法，如图1（a）、图1（b）、图2（a）、图2（b）所示，通过构建多天平、多支撑测力系统，联合校准获得测力系统的载荷计算公式，获得试验模型气动力载荷传递的数学描述公式，计算试验过程中模型受到的气动力载荷。同时为了进行气动力载荷解算，测力系统必须具备以下特点：
（1）当校准系统为3分量测力系统时，测量轴向力、法向力和俯仰力矩，前3阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框的整体振动；
当校准系统为6分量测力系统时，测量轴向力、法向力、侧向力、滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩，要求前6阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框整体振动；
（2） 对于测量轴向力、法向力、俯仰力矩的3分量测力系统，其测量分量的固有频率均小于z向的侧滑力Fz、绕X方向的滚转力矩Mx、绕y方向的偏航力矩My的固有频率，从而减小非关注载荷分离对关注载荷分量的干扰；
（3） 对于天平6分量测力系统，保证前面6个轴向、法向、侧向、滚转、偏航和俯仰主分量振型对应的固有频率小于其他振型的固有频率；
（4）保证测力系统在有效试验时间内输出至少6个周期的完整信号，测力系统设计最低阶固有频率不低于25Hz。
对于分布式耦合测力系统，通过天平组桥方式，实现测力系统的整体式校准，并将天平公式应用于载荷测量；
图6为双天平分布式耦合测力天平内部惠斯通电路图，如图6所示，对于2台测力天平，分别记为天平A和B，为了增加输出电压，应变计位于天平测量元件根部，且保持纵轴线和天平测量元件主应变方向一致，以得到最大的信号输出和最小的信号间干扰，其中A11~A18、B11~B18输出检测点y向应变，根据天平输出信号解算轴向力Fx；A21~A28、A31~A38、B21~B28、B31~B38输出检测点x向应变，根据天平输出信号解算法向力Fy和俯仰力矩Mz，各符号的意义如下：“A”代表测力天平A，“B”代表测力天平B；第一个数字“1”代表轴向力Fx的输出电桥，第一个数字“2”代表法向力Fy的输出电桥，第一个数字“3”代表俯仰力矩Mz的输出电桥；第2个数字“1~8”分别代表相应电桥中的1~8号应变片，通过改变惠斯顿电路组桥方式，解算法向力Fy和俯仰力矩Mz，电路均为全桥电路；天平输出信号计算如下：
；
△x、△y、△Mz分别为整个测力系统轴向力Fx、法向力Fy和俯仰力矩Mz三个分量电信号的耦合输出结果；
X1为1号天平沿轴向力的输出信号，
X2为2号天平沿轴向力的输出信号，
Y1为1号天平法向力的输出信号；
Y2为2号天平法向力的输出信号；
MZ1为1号天平俯仰力矩的输出信号；
MZ2为2号天平俯仰力矩的输出信号。
实施例4
本实施例的具体实施方式如下：
1. 总体方案
整个测力系统如图1（a）、图1（b）和图2（a）、图2（b）所示，测力系统由试验模型、测力天平、支架、简化风洞地基组成，试验过程中，模型通过螺钉固定在测力天平上，测力天平通过螺钉固定在支架上，支架通过地脚螺钉安装在风洞基础上。本文所述的测力系统的包含但不限于2台测力天平的情况，在本文中以2台测力天平对象对脉冲风洞重载模型分布式耦合测力系统设计方法进行描述。
2. 试验模型设计
试验模型采用“模型框架+形面盖板”的总体设计方法，如图3所示，模型框架主要为框梁结构，是整个试验模型最重要的部件，既是模型的支撑和传力部件，又是模型众多零件的定位基准，必须具有良好的强度和刚度特性，且需要保持很高的加工精度，形面盖板为模型的保形部件，由模型内形面和外形面构成，内形面主要包括进气道、隔离段、燃烧室、扩张段和尾喷管组成，外形面均为盖板，可分为前体底盖板、背部盖板、腹部盖板、尾部盖板等。
（1）对于模型支撑框架具有以下设计加工要求：
a. 支撑框架要尽可能向前后方向延伸，贯穿模型前后，保证整个模型具有良好的刚度，支撑框架长度一般不短于模型长度的70%；
b. 支撑框架主承力梁截面积不得小于25mm×25mm，支撑梁截面积不得小于20mm×20mm，支撑框架的天平安装板厚度一般不低于30mm；
c. 受限于加工能力，模型框架允许分段，但各部分安装时必须精准定位、可靠连接；
d. 模型框架组装完成后需进行整体加工，保证其与形面盖板、测力天平等零部件之间的接触面表面粗糙度Ra≤1.6μm，同时保证测力天平安装面螺钉孔位置与测力天平螺钉孔一致，平面度优于7级（高度差低于50μm/m），不同天平安装平面间的高度差不超过0.01mm；
e. 模型框架加工涉及大量焊接工艺，材料选用焊接工艺良好的高强度钢材。
（2）对于模型外形面盖板，具有以下设计要求：
a. 外形面盖板为模型的保形部件，厚度范围为10~12mm，型面盖板设计时必须考虑拆装便捷性；
b. 外形面盖板加工过程中必须充分失效、释放加工应力，防止使用过程中发生变形；
c. 外形面盖板与支撑框架的连接螺钉不得小于M6，强度等级不得低于8.8级，型面盖板螺钉孔按需增加螺纹钢套；
d. 为了保证油路安装调整的便捷性，油路系统位置附近的外形面盖板需要单独设计操作口盖；
（3）对于模型外形面盖板，具有以下设计要求：
a. 进气道为整个试验模型最复杂部件，设计过程中对其进行上下拆分，各部件之间设计定位、密封和连接结构，上部受热载荷较为严酷，需要考虑热防护；
b. 试验过程中进气道整体使用，加工完成后上下两部分固连，整体安装于支撑框架上，但需要精准定位、可靠连接，试验过程中不得出现变形；
c. 进气道前端，需设计头锥，长度约300mm，并进行适当减重；
d. 发动机注油系统由集油器、油管、电磁阀等构成，布置于模型内、外形面盖板之间，在设计时必须满足更换操作要求；
e. 内流道各段之间、注油块与内流道之间均需设计定位、连接和密封结构，保证整体密封性能良好。
（4）由于脉冲风洞启动和关车时具有很强的冲击现象，对于本文设计的试验模型，需满足以下强度、刚度要求：
a. 模型在试验过程中产生的最大应力应小于1/5的材料屈服强度极限和1/8的材料抗拉强度极限中的最小值；
b. 模型在试验过程中承受剪切的最大剪切应力应小于1/3的材料屈服强度极限；
c. 模型在气动力载荷加载时最大变形量不超过10mm。
3. 支架设计
支架设计形式为后掠、楔形，结构简图如图4所示，主要由模型支架主体8和模型支架盖板9组成，由于支架体积较大，本文提出了对支架进行减重的设计思路，在保证支架刚度变化小于20%前提下，通过设计图4中减重槽，大幅度减轻支架的重量，从而便于支架的运输和姿态角的控制。
4. 电气系统设计
对于分布式耦合测力系统，提出了新的天平联合解耦组桥方式。
对于图1（a）、图1（b）中的2台测力天平，分别记为天平A和B，测力天平应变计的位置根据使用时测量元件应变量来确定，为了增加输出电压，应变计位于测量元件根部，并减小敏感栅长度，且尽量保持纵轴线和测量元件主应变方向一致，以得到最大的信号输出和最小的信号间干扰，其中A11~A18、B11~B18输出检测点y向应变，解算轴向力Fx；天平A和B的应变计位置如图5所示，A21~A28、A31~A38、B21~B28、B31~B38输出检测点x向应变，根据天平输出信号解算法向力Fx和俯仰力矩Mz；各符号的意义如下：“A”代表测力天平A，“B”代表测力天平B；第一个数字“1”代表轴向力Fx的输出电桥，第一个数字“2”代表法向力Fy的输出电桥，第一个数字“3”代表俯仰力矩Mz的输出电桥；第2个数字“1~8”分别代表相应电桥中的1~8号应变片，通过改变惠斯顿电路组桥方式，解算法向力Fy和俯仰力矩Mz，电路均为全桥电路；天平输出信号计算如下：
；
△x、△y、△Mz分别为整个测力系统轴向力Fx、法向力Fy和俯仰力矩Mz三个分量电信号的耦合输出结果；
X1为1号天平沿轴向力的输出信号，
X2为2号天平沿轴向力的输出信号，
Y1为1号天平法向力的输出信号；
Y2为2号天平法向力的输出信号；
MZ1为1号天平俯仰力矩的输出信号；
MZ2为2号天平俯仰力矩的输出信号。
5. 校准方法设计
针对分布式耦合测力系统，提出了一种新的联合校准方法，测力系统的联合校准示意图如图7所示，对于分布式多天平耦合测力系统，由于不同测力天平和支架间通过模型框架连接为整体，因而采用一体化校准的方法，该方法将支架、天平、模型框架等安装于模拟校准台上，若模型尺度过大导致无法整体在风洞中进行吊装，则必须进行框架分段，将主要框架安装于天平上，使支架、天平、模型主框架形成一个整体，进行一体化校准，获得测力系统的校准公式。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：定义：x方向为风洞来流方向，y方向为耦合测力系统竖直向上方向，z方向垂直于x和y方向；大尺度是指脉冲风洞模型长度为10米以上，重载是指脉冲风洞模型的重量为5吨以上；两台以上的天平联合耦合测力，联合校准时相邻测力天平通过模型框架模拟件（10）连接在一起，通过联合校准，获得测力天平的校准公式，然后将校准公式应用于脉冲风洞重载模型测力试验，试验过程中测力天平通过模型框架（6）连接在一起；每一台天平通过模型支架（3）固定连接在风洞地基（4）上，每台天平包括固定框（14）、固定框（14）上方的浮动框（13），固定框（14）与浮动框（13）之间的天平浮动框与固定框连接件（19），以及三者之间的天平轴向支撑元件（15）、天平法向支撑元件（16）、法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）、轴向力Fx测量元件（18），浮动框（13）和模型框架模拟件（10）或模型框架（6）固定连接，相邻天平的浮动框（13）通过模型框架模拟件（10）或模型框架（6）连接成整体，所有浮动框（13）和模型框架模拟件（10）或模型框架（6）的连接面在同一个水平面且平行于xoz平面，测力天平应变计设置在法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）和轴向力Fx测量元件（18）上，加载后天平测量元件变形导致应变计电阻发生变化，然后通过惠斯通电桥输出电压信号；
模型框架模拟件（10）或模型框架（6）带动浮动框一起振动，模型框架模拟件（10）或模型框架（6）、浮动框（13）、固定框（14）的刚度远大于天平测量元件和天平支撑元件的刚度，从而使测量元件受力后较模型框架模拟件（10）或模型框架（6）、浮动框（13）和固定框（14）更易振动而产生变形，模型框架模拟件（10）或模型框架（6）使其左右两侧的浮动框（13）在y向的变形振动规律一致，从而使模型框架模拟件（10）或模型框架（6）左右两侧的天平测量元件输出的电压信号一致；天平测量元件包括法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）和轴向力Fx测量元件（18） ，天平支撑元件包括天平轴向支撑元件（15）、天平法向支撑元件（16）；
校准时，x方向模型框架模拟件（10）的左右两侧各有一个加载头（12），加载头（12）固定连接在模型框架模拟件（10）上，校准砝码（11）的一端连接在模型框架模拟件（10）的加载头（12）上，另一端通过一个滑轮换向后悬垂，校准砝码（11）施加的拉力经过模型框架模拟件（10）传导至左右两台天平的浮动框；模型框架模拟件（10）左右两侧的天平输出电压信号，再将两个电压信号叠加，获得输入载荷和输出电压的载荷计算公式，从而完成校准；
天平浮动框与固定框连接件（19）位于浮动框（13）沿X方向的两侧，天平法向支撑元件（16）、轴向力Fx测量元件（18）位于固定框（14）、和天平浮动框与固定框连接件（19）中间，且轴向力Fx测量元件（18）位于天平法向支撑元件（16）中间，天平轴向支撑元件（15）、法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）位于浮动框（13）、和天平浮动框与固定框连接件（19）中间，且法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）位于天平轴向支撑元件（15）中间。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：
法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）、轴向力Fx测量元件（18）采用“T”型梁或“I”型梁；天平轴向支撑元件（15）、天平法向支撑元件（16）为“I”型梁。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：
校准模式包括三种：
（1）一个加载位置进行轴向力Fx校准：即模型框架模拟件（10）的一侧设置一个加载头（12），一个校准砝码（11）施加沿x方向的作用力于加载头（12）上，得到第一台测力天平的轴向力Fx测量元件（18）的电压输出X1、第二台测力天平的轴向力Fx测量元件（18）的电压输出X2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平轴向力Fx输出信号X，从而进行轴向力Fx校准；
（2）四个加载位置进行法向力Fy校准：即模型框架模拟件（10）沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头（12），每侧加载头（12）沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码（11），前、后校准砝码（11）分别施加沿z方向的作用力于加载头（12）上，模型框架模拟件（10）左侧的校准砝码（11）总重量和右侧的校准砝码（11）总重量相同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Y1、第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Y2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平法向力Fy输出信号Y，从而进行法向力Fy校准；
（3）四个加载位置进行俯仰力矩Mz校准：即模型框架模拟件（10）沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头（12），每侧加载头（12）沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码（11），前、后校准砝码（11）分别施加沿z方向的作用力于加载头（12）上，模型框架模拟件（10）左侧的校准砝码（11）总重量和右侧的校准砝码（11）总重量不同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Mz1，第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Mz2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平俯仰力矩输出信号Mz，从而进行俯仰力矩Mz校准。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：
（1）当校准系统为3分量测力系统时，测量轴向力、法向力和俯仰力矩，前3阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框的整体振动；
当校准系统为6分量测力系统时，测量轴向力、法向力、侧向力、滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩，要求前6阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框整体振动；
（2） 对于测量轴向力、法向力、俯仰力矩的3分量测力系统，其测量分量的固有频率均小于z向的侧滑力Fz、绕X方向的滚转力矩Mx、绕y方向的偏航力矩My的固有频率，从而减小非关注载荷分离对关注载荷分量的干扰；
（3） 对于天平6分量测力系统，保证前面6个轴向、法向、侧向、滚转、偏航和俯仰主分量振型对应的固有频率小于其他振型的固有频率；
（4）保证测力系统在有效试验时间内输出至少6个周期的完整信号，测力系统设计最低阶固有频率不低于25Hz。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：在模型支架上设置减重槽。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：模型框架模拟件（10）和浮动框通过螺钉固定连接。
7.一种分布式耦合测力系统的一体化校准方法，使用权利要求1至6任意一项所述的测力系统，其特征在于：
两台以上的天平联合耦合测力，模型框架模拟件（10）或模型框架（6）带动浮动框一起振动，模型框架模拟件（10）或模型框架（6）使其左右两侧的浮动框在y向的变形振动规律一致，从而使模型框架模拟件（10）或模型框架（6）左右两侧的天平测量元件输出的电压信号一致；
校准时，校准砝码（11）施加的拉力经过模型框架模拟件（10）传导至左右两台天平的浮动框；模型框架模拟件（10）左右两侧的天平输出电压信号，再将两个电压信号叠加，获得输入载荷和输出电压的载荷计算公式，从而完成校准；
校准模式包括三种：
（1）一个加载位置进行轴向力Fx校准：即模型框架模拟件（10）的一侧设置一个加载头（12），一个校准砝码（11）施加沿x方向的作用力于加载头（12）上，得到第一台测力天平的轴向力Fx测量元件（18）的电压输出X1、第二台测力天平的轴向力Fx测量元件（18）的电压输出X2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平轴向力Fx输出信号X，从而进行轴向力Fx校准；
（2）四个加载位置进行法向力Fy校准：即模型框架模拟件（10）沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头（12），每侧加载头（12）沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码（11），前、后校准砝码（11）分别施加沿z方向的作用力于加载头（12）上，模型框架模拟件（10）左侧的校准砝码（11）总重量和右侧的校准砝码（11）总重量相同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Y1、第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Y2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平法向力Fy输出信号Y，从而进行法向力Fy校准；
（3）四个加载位置进行俯仰力矩Mz校准：即模型框架模拟件（10）沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头（12），每侧加载头（12）沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码（11），前、后校准砝码（11）分别施加沿z方向的作用力于加载头（12）上，模型框架模拟件（10）左侧的校准砝码（11）总重量和右侧的校准砝码（11）总重量不同，得到第一台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Mz1，第二台测力天平的法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）的电压输出Mz2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平俯仰力矩输出信号Mz，从而进行俯仰力矩Mz校准。
8.一种分布式耦合测力方法，使用权利要求1至6任意一项所述的分布式耦合测力系统，其特征在于：通过多台天平耦合，联合解算模型在试验过程中所受到的气动力载荷。
9.根据权利要求8所述的一种分布式耦合测力方法，其特征在于：对于分布式耦合测力系统，通过天平组桥方式，获得测力天平输出信号惠斯通电路，通过测力系统的整体式校准，获得测力天平公式应用于试验载荷测量；
对于2台测力天平，分别记为天平A和B，为了增加输出电压，应变计位于天平测量元件根部，且保持纵轴线和天平测量元件主应变方向一致，以得到最大的信号输出和最小的信号间干扰，其中A11~A18、B11~B18输出检测点y向应变，根据天平输出信号解算轴向力Fx；A21~A28、A31~A38、B21~B28、B31~B38输出检测点x向应变，根据天平输出信号解算法向力Fy和俯仰力矩Mz，各符号的意义如下：“A”代表测力天平A，“B”代表测力天平B；第一个数字“1”代表轴向力Fx的输出电桥，第一个数字“2”代表法向力Fy的输出电桥，第一个数字“3”代表俯仰力矩Mz的输出电桥；第2个数字“1~8”分别代表相应电桥中的1~8号应变片，通过改变惠斯顿电路组桥方式，解算法向力Fy和俯仰力矩Mz，电路均为全桥电路；天平输出信号计算如下：
，
△x、△y、△Mz分别为整个测力系统轴向力Fx、法向力Fy和俯仰力矩Mz三个分量电信号的耦合输出结果；
X1为1号天平沿轴向力的输出信号，
X2为2号天平沿轴向力的输出信号，
Y1为1号天平法向力的输出信号；
Y2为2号天平法向力的输出信号；
MZ1为1号天平俯仰力矩的输出信号；
MZ2为2号天平俯仰力矩的输出信号。
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